基于组合热源的激光深熔焊熔池三维瞬态模拟

依据实际激光深熔焊接过程,考虑高温光致等离子体对工件表面的加热而采用高斯面状热源,考虑深熔焊中特有的小孔吸收而采用圆柱状体热源,建立了高斯面热源和圆柱体热源的组合焊接热源模型。考虑表面张力、蒸气反冲压力及热浮力等,建立了激光深熔焊熔池的三维模型,获得焊接过程中瞬态温度场和流场分布以及熔池最高温度和熔深的瞬态变化。焊缝横截面的模拟值和实验值吻合良好,从而证明了该数学模型的合理性。     

激光深熔焊三维瞬态温度场的数值模拟

采用旋转高斯曲面体热源模式,建立了激光深熔焊接热过程的三维瞬态数值分析模型.利用Visual Fortran语言编写数值分析程序,计算并给出了从开始焊接到达到准稳态过程中工件上不同截面的焊接温度场和熔池形状的瞬态变化,并进行了对比验证.计算结果较好地反映了激光深熔焊焊缝深宽比较大的特点,亟待改进之处是计算所得焊接接头的深宽比略小于试验值.     

激光焊接热源和焊速对温度场影响的数值模拟

利用不同的工艺参数,进行A304不锈钢薄板激光对焊试验。建立了激光焊接的三维有限元模型,通过有限元方法,分析了热源模型和焊接速度对激光焊接过程中温度场和熔池形状的影响。结果显示,热源和焊速对温度场和熔池形状有很大影响,应用旋转高斯曲面热源模型得到的熔池形状与试验结果吻合良好。     

活性剂对激光焊熔池动态行为的作用机理研究

为阐明活性剂对铝合金激光焊熔池作用机理,建立了三维瞬态移动热源作用下的激光焊接熔池数学模型,研究表面张力梯度及激光吸收率对温度场以及流场的影响规律,揭示活性剂作用下激光焊熔深的增强机制。结果表明,在无活性剂时模拟得到的焊缝形貌与实际试验结果吻合。在低功率铝合金活性激光焊接中,活性剂的加入虽然可以改变表面张力梯度,但表面张力梯度的改变对熔深增加效果不明显。分析认为,活性剂的加入使铝合金对激光吸收率的提高才是熔深增加的主要原因。     

低碳钢薄板激光焊数值模拟及工艺

在试验基础上,考虑了材料导热系数、对流换热系数、热焓等参数随温度的变化,通过有限元软件ANSYS建立激光薄板焊接的热源模型,模拟激光焊焊接过程,研究其温度场分布。对比试验和模拟结果,得出其焊缝形状基本一致。同时分析焊接电流、脉宽、频率对熔池熔深、熔宽的影响,结果显示,熔深、熔宽与电流成正比,与脉宽和频率成反比。对焊缝组织进行研究,发现焊缝主要由珠光体和铁素体构成,材料性能满足焊接要求。     

深熔激光焊新型热源模型的研究

综合考虑激光深熔焊的工艺特点和几何参数,建立了三维锥体热源模型和高斯面热源相组合的热源模型。利用大型有限元分析软件ANSYS的热分析模块及其自带的APDL语言编写数值分析程序,模拟了激光深熔焊的三维瞬态温度场,并与实际的焊接试验对比分析,结果表明,建立的热源模型能够较好地反映了激光焊的深熔特性,特别是熔池的"螺钉状"结构,为进一步研究激光焊的数值模拟奠定基础。     

激光焊接圆锥体热源模型及参数研究

激光焊过程中包含了一系列复杂的物理、化学反应现象.为合理描述激光焊温度场,采用圆锥体热源模型,用有限元分析软件ANSYS对激光焊温度场进行计算模拟,得到相应的温度场分布及焊缝熔深、熔宽.计算结果表明,所用圆锥体热源模型能较好符合试验结果,有效反映实际激光焊过程.同时根据试验测得的焊缝形状,结合数值模拟,用反演方法给出了模型参数的计算公式.该公式可以实现一定焊接工艺条件下确定激光焊接圆锥体热源模型的参数,并方便进行激光焊温度场模拟和焊缝宽度的预测.     

高能束焊接数值模拟可变新型热源模型的建立

基于电子束等高能束焊接熔池非旋转对称性以及深宽比较大的"钉头"焊缝特征,为更好地模拟焊缝形状,提高焊接模拟计算精度,建立了一带拐点的形状可变的双椭圆衰减体热源模型;新型热源模型形状的可转化性使其具有了可同时用于高能束焊接和一般焊接的通用性;模型建立过程中,对其前后能量的分布给出了明确的函数表达式,利用有限元分析软件对比分析了新型热源模型和其它几种热源模型的温度场的模拟结果,验证了其熔池形态的合理性及该热源的可扩展性.     

热压条件下激光深熔焊接温度场的数值模拟

对铝合金LF3Y2搭接板进行了热压条件下激光深熔焊接.建立了该条件下的焊接热源模型,热源模型由作用在工件表面的高斯面热源和沿激光入射方向的旋转高斯体热源构成.使用该热源模型和ANSYS有限元分析软件对前述的试验进行了数值模拟.结果表明,热压使激光在高速焊接时依然有足够的熔深和熔宽;试件表面的等温线呈椭圆形,在移动热源前方温度梯度大,后方温度梯度小;计算所得的熔池截面成形与工艺试验结果吻合良好,验证了该热源模型的合理性.     

TC4薄板激光对接焊温度场的数值模拟

采用锥状热源模型,利用有限元软件对1 mm厚TC4钛合金薄板激光对接焊的温度场进行了数值模拟,对比了不同激光功率和焊接速度时的熔池尺寸和高温停留时间。研究结果表明,使用锥状热源建立焊接温度场三维对称模型,可以有效模拟TC4钛合金平板激光对接焊过程中温度场变化规律;在熔透焊接参数情况下,选择较大的焊接速度或者较低的激光功率,能够减少高温持续时间和晶粒粗化程度。     

CuZnSnSi合金钎料相变过程的热分析动力学

CuZnSnSi合金钎料在钎焊钢工件中具有良好的综合性能.为进一步探究其合金性能,借助差示扫描分析(DSC)和热重分析(TG)技术,分别采用微分非等温法和积分非等温法分析了CuZnSnSi合金钎料相变过程的热分析动力学.结果表明,CuZnSnSi合金的相变温度范围为1150.5~1221.5 K,吸热峰温度为1174.46 K,在相变过程中没有化学反应,但出现升温段的吸热峰温度滞后于降温段的放热峰,说明了合金钎料在结晶过程需要一定的过冷度;非等温分析法计算得到合金钎料相变表观活化能为615.72 kJ/mol;由Arrhenius公式得出合金钎料相变速率常数k的变化规律为1.71×1027exp(-6.16×10⁵/RT).     

激光焊熔池图像三维形态恢复算法分析

利用熔池图像表面的明暗变化恢复熔池表面三维形态,分析熔高和熔宽等特征与焊接质量的关系.试验装置采用红外激光辅助光源和带有近红外窄带滤波组合系统的高速影像设备实时捕捉熔池动态图像,并根据统计学估计光源位置参数,采用基于单幅熔池灰度图像的明暗恢复形状技术(shape from shading,SFS)中的局部分析算法来恢复熔池三维表面形态,并通过中值滤波和三次样条插值对三维重建后熔池形状进行去噪和平滑处理.结果表明,所采用的方法能有效地恢复熔池表面信息,为大功率盘形激光焊接过程中根据熔池二维图像预测焊缝成形提供了一种方法.     

镁合金低脉冲激光-气体混合焊的熔池形貌演变和多级调控

利用基于COMSOL Multiphysics的脉冲激光-气体钨极电弧（GTA）混合焊接新型双热源模型,分析了焊缝沿线选定点的温度分布,研究了激光脉冲参数和电弧电流对熔池形貌的影响。工艺参数对熔池深度的影响由大到小为：激光激励电流>电弧电流>激光脉冲宽度>激光脉冲频率;工艺参数对熔池宽度的影响由大到小为：电弧电流>激光脉冲宽度或激光激励电流>激光脉冲频率。在此基础上,构建了激光诱导电弧焊接镁合金熔池形貌数据库体系,通过复合热源参数的分级调控,以实现对熔池形貌的精准控制。利用T形焊接熔池来验证熔池形貌的调控效果,结果表明控形的准确度高至95.1%。     

光纤激光焊接熔池和小孔的高速摄像与分析

采用主动光源和光学窄带滤光片等辅助器件,利用高速摄像技术对光纤激光焊接过程中的熔池和小孔进行了拍摄,获得了较为清晰的熔池和小孔图像,以及不同激光功率下光纤激光焊接熔池和小孔的实际尺寸,可以为光纤激光焊接熔池和小孔的模拟提供可靠的参考依据。对高速摄像图片和焊缝熔深波动以及焊缝形貌进行了分析。结果表明:小孔前沿附近是光纤激光焊接过程中飞溅产生的主要区域;利用高速摄像可以监测焊缝的熔深变化;熔池温度最低的区域为熔池后部的中轴线两侧,而非熔池边界处。     

Laser pulsed welding in thin sheets of Zircaloy-4

A simulation technique for the welding process design to obtain the high reliability of nuclear fuel spacer grids is presented. A finite element model of pulsed laser welding for Zircaloy-4 plate is developed, which incorporates the phase transitions and the dynamic material properties with transient temperature. The effects of pulsed laser parameters on the pool shape and welding-induced distortion are analyzed by simulations and verified by experiments. The parametric study presents that the welding induced distortions are highly dependent on the geometry of the molten zone and the heat affected zone.     

圆形摆动激光对5A06铝合金激光焊接熔池流动行为的影响分析

摆动激光焊接方法中,激光束对于熔池的搅拌作用将导致熔池流动行为有异于传统激光焊接,因此为了从理论上阐述摆动激光焊接过程中熔池流动行为,构建了5A06铝合金摆动激光焊接过程热—流耦合模型.系统分析了圆摆激光焊接过程中,摆动幅度和摆动频率对熔池热流场的影响规律.结果表明,增加摆动幅度会降低熔池深宽比,从而提高焊接稳定性,同时熔池流动行为更加复杂,增大了熔池内部物质交换范围.摆动频率的增加会抑制熔池流动,使其更加规律,有利于气泡的排出从而降低气孔率.     

New technology of the arc welding

Summary

This paper describes the effect of evaporation during laser welding, especially its effect on keyhole formation. In order to investigate the evaporation, a numerical model of evaporation at the molten pool surface of laser welding was developed. The effect of evaporation during laser welding was numerically analysed by the model and the numerical result compared with experiments. This paper may be summarised as follows:

1. It is made clear by the numerical results that the molten pool geometry in laser welding is markedly affected by the evaporation process.

2. Numerical results show that evaporation of the molten pool surface produces a recoil pressure and a keyhole is formed as a result.

3. A calculated critical condition for keyhole formation has been compared with experiments and a satisfactory result has been obtained.

     

管道全位置焊接熔池监测试验研究

在管道全位置自动焊接过程中,焊接熔池形态监测对焊接质量控制有重要意义。设计一套熔池监测试验装置,方便采集清晰的熔池图像。运用图像处理技术检测熔池边缘。用熔池长度、熔池宽度以及熔池头部轮廓二项式系数等特征参数重新定义熔池形态。应用正交试验法和极差分析法,研究在仰焊区段焊接电流、电弧电压以及焊枪摆速等因素组合变化时对熔池形态的影响程度。结果表明:采用优化的焊接工艺参数组合,可以获得良好的焊缝成形质量。     

A device for removing metal from the weld pool when studying the shape of the weld pool

The dimensions and shape of a weld pool have a strong effect on both the technological and service parameters of welded joints. To investigate the shape and dimensions of a weld pool, a device for removing molten metal from the pool cavity for different materials and thickness of the welded specimens was designed and constructed. Investigation of the shape of the pool in laser welding showed special features of the pool in comparison with arc welding     

激光深熔焊熔池X光图像恢复与特征分析

X光对于焊件具有很强的穿透性,可以利用其观测和分析激光深熔焊过程焊件内部熔池形态以及匙孔能量传递效果,实现对焊接过程有效地实时监测.在大功率光纤激光焊接304不锈钢过程中,由于X光图像采集过程中的噪声干扰,导致熔池X光图像存在严重退化现象,清晰度不高,识别性较差.为此研究一种图像恢复和增强算法,对熔池X光退化图像进行恢复和增强处理,使其在处理后能够更好地被识别.以盲去卷积法试验估计出熔池X光图像退化的点扩散函数,并以此函数为参数对熔池X光图像进行维纳滤波恢复,再进行灰度变换以增强图像,进而对熔池动态特性进行分析.结果表明,所提出的方法能够有效改善激光焊过程熔池X光图像质量,突出熔池边缘轮廓特征.